5G 标准化进程
任何广泛使用的技术应用,都需在使用人群范围内实行统一标准并有效的推行。标准化的建立有利于建立统一的大产业生态,从生产到运输再到市场都按部就班,以最小成本和最高效率完成,减少内耗。普及性越高的产业,对标准化的要求也就越高,通信行业更是如此,全世界50亿移动电话用户要实现互联互通,依靠一个电话号码就可以顺畅地联系到其他人,标准化功不可没!
重要的标准化组织
全球范围内成立的各种电信标准化组织需要进行目标制定、标准遴选、决策发布等大量工作,以推动电信技术应用的标准化和计划的良好运行,这对电信行业的影响是巨大的。发展了百余年的电信行业面临着越来越复杂的技术、越来越庞大的网络,必须制定全行业通识的标准,这个工作就交给标准化组织。标准化组织的组成不同,任务不同,有的是以国家为代表的,有的是以公司单位为代表的;有的组织有非常明显的技术倾向性,而有的组织则与时俱进,技术范围较广。
国际电信联盟
全世界通信标准的权威是国际电信联盟(ITU),它是联合国负责电信事务的专门机构,是一个政府间国际组织,现有193个成员国,700多个部门成员,总部设立在瑞士日内瓦。1865年5月17日,国际电信联盟的前身国际电报联盟(International Telegraph Union,ITU)宣告成立,1934年,正式更名为国际电信联盟,1969年国际电信联盟的成立日——5月17日被定为“世界电信日”。国际电信联盟由全权代表大会、理事会、总秘书处和无线电通信部门(ITU–R)、电信标准化部门(ITU–T)、电信发展部门(ITU–D)组成。其中,国际电信联盟无线电通信部门(ITU–R)共设有7个研究组,负责无线电频谱和卫星轨道的管理工作;国际电信联盟电信标准化部门(ITU–T)共设有13个研究组,负责制定ITU–T建议书的国际标准;
ITU–D设有两个研究组,承担了国际电信联盟专门机构和项目执行机构的双重职责。
我们说的5G就是由国际电信联盟权威发布的IMT–2020,所有电信设备制造商、手机终端厂家都要按照这个标准来组织生产,所有电信运营商都要按照这个标准来建设和运营网络。
3GPP
3GPP成立于1998年12月,目前有欧洲电信标准化协会(ETSI)、美国通信工业协会(TIA)、日本电信技术委员会(TTC)、日本无线工业及商贸联合会(ARIB)、韩国电信技术协会(TTA)以及中国通信标准协会(CCSA)6个组织伙伴(OP),300多家独立成员,还有TD–SCDMA产业联盟(TDIA)、TD–SCDMA论坛、CDMA发展组织(CDG)等13个市场伙伴(MRP)。3GPP最初是为第三代移动通信系统UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)制定全球适用技术规范和技术报告,后来增加了对UTRA(UniversalTerrestrial Radio Access,通用地面无线电接入)和LTE(Long Term Evolution,长期演进技术)的研究和标准制定。
3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理,平均一到两年就会完成一个版本的制定,从建立之初的R99,之后又从R4开始,现在已经发展到R16和R17了。目前,3GPP正在为5G做标准制定。
3GPP2
3GPP2(3rd Generation Partnership Project 2)全称是“第三代合作伙伴计划2”,成立于1999年1月,由美国通信工业协会、日本无线工业及商贸联合会、日本电信技术委员会、韩国电信技术协会4个标准化组织发起。中国无线通信标准组(CWTS)于1999年6月加入3GPP2。因为受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持,所以3GPP2致力于CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000)系统的标准化。3GPP2目前没有参与到5G的标准研发中。
IEEE
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)全称是电气电子工程师协会,是美国的一个电子技术与信息科学工程师协会,也是世界上最大的非营利性专业技术学会。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究,在航空航天、信息技术、电力及消费性电子产品等领域已制定了900多个行业标准,现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。历史上,IEEE推出的802.16系列曾经入选国际电信联盟的3G标准,而802.11系列则是全球无线局域网的事实标准。
3GPP从R16到R17的进展计划5G标准的主要制定者是3GPP,由R15、R16、R17三个版本组成。
3GPP R15已经在2019年3月22日完成了最终方案的冻结,2019年6月7日完成了协议栈冻结,至此,eMBB标准化产品可以正式下线了。
下面介绍R16和R17将要进行的工作。
R16
R16最早将于2019年12月结束讨论,将在2020年3月20日进行方案冻结,并于2020年6月19日进行协议栈冻结。
R16版本将针对移动宽带通用系统进行改进和增强,并关注垂直产 业 的 应 用 , 特 别 是 定 位 技 术 、 MIMO ( Multipe Input Multipe Output)增强技术和功耗改善技术。对于垂直产业,R16将关注三个不同的支柱型产业:汽车产业、工业物联网产业以及非授权频段运营产业。
在汽车产业,将对现有的LTE–V2X技术进行升级,增加在低时延应用领域的高级功能。
在工业物联网产业,因为工业自动化技术是未来5G技术的重要应用,因此R16将努力确保无线技术涵盖所有垂直行业内工业自动化所需的所有功能。这不但需要引入TSN(time sensitive networking,时间敏感网络),而且需要对现有的高可靠低时延(uRLLC)技术进行增强,以确保5G NR(New Radio,新无线)可以完全替代当前使用的有线以太网。
在非授权频段下进行5G NR的运营将会有更大的发展机会。目前,在一些国家和地区已经出现了将某些非许可频段分配给垂直产业使用的案例。R16不但会关注LTE拥有已获得许可的辅助访问方案,也会关注独立的非授权频谱下的运营方案。
R17
2019年6月,3GPP开始了R17的讨论,9月对其内容进行了一些调整,将于2019年12月决定R17的标准范围并于2020年正式启动其进程,预计于2021年6月完成物理层标准制定,2021年9月完成最终标准制定。
因为目前还没有确定对R17的讨论范围,所以各方集思广益,从以下15个方面进行探讨。
• NR灯技术。这是一个中间层NR的功能,将重点讨论其节能技术,将会用于安全摄像头和可穿戴设备的高端MTC(Machine-Type Communications,机器类型通信)设备。
• 小型数据传输优化技术。这项技术将重点讨论如何在上行链路和下行链路方向上考虑利用物联网应用案例来进行优化。
• 边缘连接增强技术。这项技术将用于设备之间的直接通信,主要用于汽车以及紧急通信,但也可以将其直接用于智能手机之间,使用的频段将涵盖5G的所有频段。
• 更高频段的研究。在R15版本中,已经研究了52.6GHz的频谱,在R17版本中,将进一步提高到114GHz,并对潜在可用的波形进行深入研究。这些技术将在R18版本中进行标准化工作。
• 多SIM卡操作技术。目前,已有许多多SIM卡设备投入商用,制定标准将有助于经济生态的良好发展。将重点研究RAN(无线接入网)
所产生的影响,加入一些针对该技术的特定功能。
• NR多播广播技术。虽然目前尚未对NR做任何特定的多播工作,但车辆通信V2X以及公共安全在这方面有强烈的需求,所以将讨论NR多播广播有哪些功能。
• 覆盖率增强技术。虽然已经确定了覆盖率的一些指标,但在很多情况下会出现极端覆盖率的情况,特别是在中国、印度、澳大利亚等国家。所以,将研究无论是室内还是室外场景下的极端覆盖技术。
• 窄频物联网NB–IoT和增强型机器类通信eMTC(enhancements Machine-Type Communications)技术。因为当前商用需求的发展,NB–IoT和eMTC技术仍需要进一步研究。
• 工业物联网和uRLLC增强技术。这是R16版本的关键支柱技术之一,但是为了满足新的要求,研究工作还将继续。
• 非地面广播网络的NR技术。3GPP已经开展了需求分析和解决方案的研究,将在R17中继续推进。
• 接入与回传网络的集成技术。
• NR非许可频段NR–U的通用增强技术。
• 节能增强技术。在R16版本中已经讨论了物理层和协议层的节能技术,但这项技术太关键了,所以将在R17中继续对智能手机的节能和网络的节能研究。
• 无线接入网数据收集增强技术。3GPP将不仅关注SON(Self-Organizing Networks,自组织网络)和MDT(Minimization Drive Test,最小化路测),还将关注“通过数据收集增强人工智能”。至于人工智能,除了数据收集外,3GPP目前还没有确定具体需要做的工作。
• 定位技术。R16版本中定位的厘米精度为10秒,R17将研究如何提高这一精度,并在提升时延和可靠性等性能。应用场景包括工厂/校园定位、V2X和3D定位(垂直和水平方向)。
6G的进展
对于未来的6G,目前还处于“海选”阶段,大家各抒己见,没有统一的明确的愿景和目标,但使用太赫兹频段是大家的共识。太赫兹波是指0.1THz到3THz的电磁波(1THz=1000GHz),如图3–4所示,它处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域;在频率上高于毫米波,低于红外线;而能量大小则在电子和光子之间。太赫兹技术被世界发达国家列为抢占频谱的资源战略点和科技制高点。
各国的研究机构和设备商运营商也纷纷开始了预研工作。
日本NTT DoCoMo公司已经在300GHz频段上实现了太赫兹无线通信。日本总务省规划于2020年东京奥运会上采用太赫兹技术实现100Gbps无线局域网传输。
2018年,韩国SK提出了太赫兹+去蜂窝化结构+高空无线平台的6G技术方案,不仅应用太赫兹通信技术,还要彻底变革现有的移动通信蜂窝架构,建立空天地一体的通信网络。LG正式启用了专门研究6G的研发中心,计划在全新的6G内部架构的技术领域抢占先机。
欧盟于2017年正式布局6G技术研发,成立了由德国、英国、芬兰等国家组成的跨国TERRANOVA计划,初步计划使用大于275GHz的太赫兹频段实现100Gbps的峰值数据速率,并在2019年世界无线电大会上申请将该频段用于移动和固定无线接入服务。2019年10月,芬兰奥卢大学6G旗舰研究计划发布了全球首个6G白皮书。
美国国防高级研究计划局DARPA与IBM、英特尔等公司共同成立了一个研究机构ComSenTer,吸引了包括加州大学圣芭芭拉分校、加州大学伯克利分校、纽约大学无线研究中心等高校加入,主要研究面向融合性太赫兹无线通信网络的系统与算法、太赫兹芯片、应用特定的太赫兹晶体管等。在频谱方面,关注140GHz、220GHz和340GHz频段,希望未来一个6G基站可以达到1Tbps的峰值速率。
2019年3月20日,美国联邦通信委员会一致投票决定开放“太赫兹波”频率段,该频率段在95GHz~3THz范围内,是未来6G将使用的潜在频段,所以美国联邦通信委员会的这个决定验证了之前盛传的美国政府提前考虑6G布局的传闻。美国联邦通信委员会提出了6G的三大类关键技术,分别是全新的频谱、大规模空间复用技术、基于区块链的动态频谱共享接入技术。
2018年,中国就开始了6G概念研究。2018年底,中国信通院、中国电信、中国移动、中国联通、华为、中兴、大唐、OPPO、vivo等联合启动“‘后5G’系统愿景与需求”项目,项目为期2年,主要针对后5G/6G系统的愿景和需求进行研究。
2018—2022年,中国科技部实施的重点研究专项“大规模无线通信物理层基础理论与技术”中,“太赫兹无线通信技术与系统”是面向6G的应用需求,研究太赫兹高速通信系统总体技术方案、太赫兹地面通信的信道模型。
2019年,中国科技部发布了《国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项2019年度项目申报指南建议》,提出的“专项总体目标”之一是“开展新型网络与高效传输全技术链研发,使我国成为B5G/6G无线移动通信技术和标准研发的全球引领者,在未来无线移动通信方面取得一批突破性成果”。其中,2019年的专项中至少有6个6G研究项目。
各个标准化组织对6G也开展了相应的工作。
2019年3月25日,由IEEE发起,全球第一届6G无线峰会在芬兰召开。
3GPP对6G也做出了规划:2023年开启6G研究,2025年下半年开始进行6G标准化,2028年下半年将会有6G设备产品。3GPP提出的6G发展目标是“支持多种应用,以支持未来的数字社会”,其核心技术现在还处于探索和讨论阶段。
国际电信联盟于2018年正式成立Network 2030焦点组(ITU-T FG on Network 2030),旨在探索面向2030年及未来的网络技术发展。
2019年10月17日,Network 2030焦点组会议对6G的三大场景达成了共识:
• 甚大容量与极小距离通信。
• 超越“尽力而为”与高精度通信。
• 融合多类网络。
虽然各国的路径不同,但未来6G网络的核心技术和方向是一致的,包括太赫兹技术、空天地一体化网络、IT软件化、智能化等。
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